ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

مروری بر استراتژی‌های حذف نیترات از آب با استفاده از فناوری نانو

نیترات از جمله عوامل آلاینده آب است که حذف آن از آب برای کاهش آلودگی و جلوگیری از آسیب به حیات موجودات زنده امری ضروری محسوب می‌شود. روش‌های مرسوم حذف نیترات از آب مانند جذب، فرآیند تبادل یونی، اسمز معکوس، روش‌های الکتروشیمیایی، شیمیایی و بیولوژیکی با محدودیت‌های متعددی مانند هزینه بالای نصب و اجرا، تعدد مراحل و بازده پائین مواجه هستند. فناوری نانو در بسیاری از کاربردهای زیست محیطی مانند استفاده از نانومواد برای بازسازی و احیای خاک و آب، حذف آلاینده‌های فاضلاب و تصفیه آب شیرین به صورت موثر بکارگرفته شده است. به تازگی، فناوری نانو به عنوان یک جایگزین عالی برای روش‌های مرسوم حذف نیترات در نظر گرفته شده است. نانومواد با توجه به اندازه کوچک و نسبت سطح به حجم بالا، بسیار واکنش‌پذیر هستند و همین امر آنها را قادر می‌سازد که به عنوان جاذب مورد استفاده قرار بگیرند. در این مقاله مروری، به بررسی کاربردهای نانومواد مختلف به خصوص نانوذرات، نانولوله‌ها، نانوفیبرها، نانوکلاسترها و نانوذرات سنتزی برای حذف نیترات از آب خواهیم پرداخت. همچنین مزایا، معایب، محدودیت‌ها و برتری‌های بکارگیری این نانوذرات مورد بحث قرار خواهد گرفت.

 

1.         مقدمه
آلودگی آب مشکلی اساسی محسوب می‌شود و پیامدهای مختلفی بر روی حیات در کره زمین ایجاد می‌کند. این نوع آلودگی عمدتا توسط آلودگی‌های صنعتی و فعالیت‌های انسانی ایجاد می‌شود. در 200 سال گذشته، تغییرات قابل توجهی در چرخه نیتروژن جهانی به وجود آمده است. غلظت و تحرک نیتروژن در مناطق وسیعی از زمین رو به افزایش است. به علاوه از طریق فعالیت‌های مختلف انسانی مانند استفاده از آفت‌کش‌ها، استفاده از ترکیبات آلی یا معدنی، دفع نامناسب ضایعات صنعتی، رها شدن و نفوذ زباله در آب‌های زیرزمینی و پساب فاضلاب حاوی ازت غیر آلی مانند نیترات (NO3−) رواناب شهری و کشاورزی وارد اکوسیستم‌های آبی محیط زیست می‌شود.

در استانداردهای بین المللی حد غلظت نیترات در آب تعریف شده و افزایش غلظت نیترات بیشتر از حد مطلوب طبق این استاندارد در منابع آب مایه نگرانی زیست محیطی در سراسر جهان شده است. حجم بالایی از نیترات در آب وجود دارد و همچنین در منابع آب آشامیدنی نفوذ می‌کند، انباشت نیترات در بدن در سطوح بالای غلظتی به عنوان علت بسیاری عوارض از جمله متهموگلوبینمی و دیابت، شناخته شده است. همچنین موجودات دریایی بخصوص اکوسیستم‌های مبتنی بر آب‌های شیرین، بیشتر تحت تاثیر حضور بیش از اندازه نیترات در آب و مسمومیت ناشی از آن قرار می‌گیرند. حذف نیترات از منابع محیط زیستی مانند آب‌های سطحی و آب‌های زیرزمینی از جمله ملزومات پیشگیری از وقوع این‌گونه عوارض است.

 چندین روش مرسوم برای حذف نیترات از پساب وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به روش‌های مبتنی بر جذب، فرایند تبادل یونی، روش الکتروشیمیایی، اسمز معکوس، روش‌های بیولوژیکی و روش‌های شیمیایی اشاره کرد. با این حال، این تکنیک‌ها دارای محدودیت‌های متعددی هستند. از محدودیت‌های تکنیک‌های مبتنی بر جذب می‌توان به شرایط متغیر محیط آبی اشاره کرد که همین مورد انتخاب ماده جاذب با کارآیی بالا و متناسب با شرایط محیطی متفاوت را با چالش همراه می‌سازد. برآورد بازده جذب، قابلیت احیای جاذب برای استفاده در دفعات متعدد و بازیافت جاذب همراه با نیترات جذب شده از جمله محدودیت‌های تکنیک‌های مرسوم مبتنی بر جذب است. در روش تبادل یونی، محدودیت‌هایی همچون اعمال تیمارهای پیشین و پسین وجود دارد. اسمز معکوس در حضور ناخالصی‌های دیگر، افت کارآیی و بازدهی را نشان می‌دهد همچنین این تکنیک نیاز به مقدار معینی فشار آب دارد و همچنین دستگاه‌های مورد استفاده مستعد اشباع شدن و پر شدن با عوامل بیولوژیک همچون جلبک‌ها و باکتری‌های موجود در فاضلاب هستند. روش‌های بیولوژیکی و شیمیایی نیز باعث ایجاد سمیت در آب می‌شوند. همچنین، تجهیزات مرتبط با این روش‌ها بسیار گران است. تکنیک‌هایی مبتنی بر فناوری نانو به عنوان یک جایگزین مناسب برای روش‌های مرسوم معرفی شده‌اند.

 

 2. مکانیسم‌های حذف نیترات
معمولا نیترات در طبیعت به عنوان محصول دنیتریفیکاسیون نیتروژن تشکیل می‌شود و بسیار محلول در آب، غیرفعال و غیر واکنش‌گر است. کودهای شیمیایی و دیگر ضایعات حاوی نیتروژن، تجزیه می‌شوند و با اکسیداسیون بیشتر آمونیاک به نیترات و نیتریت تبدیل می‌شود. نیترات در هوا، آب و غذا وجود دارد و توسط گیاهان به ترکیبات آلی سنتز می‌شود. نیترات یکی از عواملی است که اگر با رطوبت ترکیب شود، تولید اسید نیتریک می‌کند. با وجود این‌که به صورت غیر فعال است به صورت میکروبی کاهش پیدا می‌کند و به صورت گاز نیتروژن (N2) و مونوکسید نیتروژن (N2O) در می‌آید. از عوامل کاهنده متداول تجاری می‌توان به فلزات فعال، آمونیا، بوروهیدرید، فورمات، هیدرازین، هیدروکسیل آمین، هیدروژن و آهن اشاره کرد. فلزات فعال در محیط‌های با pH خنثی نیترات را به آمونیاک یا نیتریت کاهش می‌دهند، در حالی که فلزات فعال در فشار و درجه حرارت بالا و در محیط اسیدی آمونیاک را به نیترات و نیترات را به نیتروژن و یا اکسید نیتروژن کاهش می‌دهند. سدیم تترا هیدروبورات در حضور آلیاژهای فلزی، نیتریت و آمونیاک را تشکیل می‌دهد.کاهش نیترات از طریق روش‌های افزودن انرژی به محیط واکنش مانند الکتروشیمیایی، حرارتی و یا روش فوتوکاتالیک امکان‌پذیر است. به هر صورت واکنش‌های ساده کاهش شیمیایی در محیط‌های مآیی به صورت موثر نیترات را حذف نمی‌کند. کاهش نیترات در حضور کاتالیزوری قدرتمند میسر می‌شود. نانومواد با توجه به خواص سطحی خود خواص کاتالیستی چشمگیری دارند. در فرآیند کاهش نیترات، آمونیاک (NH3) گاز نیتروژن (N2) نیتریت (NO2−) و آمونیوم (NH4 ) تشکیل می‌شوند. محصولات حاصل از واکنش کاهش نیترات بر اساس نوع و اندازه نانوذرات مورد استفاده متغیر است.

یکی دیگر از مکانیزم‌های رایج در حذف نیترات، تکنیک‌های بر پایه جذب است. در روش جذب، مولکول‌های نیترات از طریق جذب فیزیکی یا از طریق جذب بر اثر برهمکنش شیمیایی به سطح متصل می‌شوند. نانوموادی که خواص عالی جذب سطحی دارند دارای دو ویژگی اصلی؛ سطح داخلی گسترده و عامل دارشدن سطح خارجی هستند. سطح فعال گسترده، فعالیت جذبی، ساختار و مکان اتم‌ها در سطح نانوذرات، عدم حضور مقاومت به انتشار به داخل نانوساختار و انرژی پیوندی بالای سطح، فاکتورهای تعیین کننده قابلیت و کارآیی نانوذرات است. توانایی جذب سطحی نانوذرات با استفاده از دو مدل ایزوترم و کینتیکی مورد بررسی قرار داده شده است . جدول شماره 1 نانوذرات متفاوت مورد استفاده برای حذف نیترات مدل‌های مورد استفاده برای بررسی آنها را نشان می‌دهد. نانوذرات به فرم‌های نانولوله، نانوکلاستر، نانوپوسته، نانوفیبر و نانوکامپوزیت به منظور حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفتند و در شکل 1 به صورت شماتیک نشان داده شده است.

 

3. نانومواد برای حذف نیترات
نانوموادی که تا به امروز برای حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفته‌اند به صورت نانوذرات، نانولوله، نانوفیبر، نانوکلاستر و نانوکامپوزیت هستند. شکل شماره 3 طبقه‌بندی نانوذرات مورد استفاده در حذف نیترات را نشان می‌دهد.

جدول شماره 2 حاوی اطلاعاتی مانند تنوع در نانومواد مورد استفاده در حذف نیترات و بررسی پارامترهای غلظت نیترات اولیه، pH ، میزان توانایی جاذب و درجه حرارت را نشان می‌دهد. همچنین مقایسه بازده حذف نیترات توسط نانومواد مختلف در جدول شماره 2 ذکر شده است. جدول شماره 3 مکانیسم حذف نیترات با استفاده از نانومواد و روش تعیین نیترات را نشان می‌دهد.

 

3-1 نانوذرات
نانوذرات کاربردهای زیست‌محیطی متنوعی مانند تشخیص آلودگی و پایش میزان غلظت آن، تجزیه شیمیایی یا بازسازی و رمدیشن محیط زیست دارند. نانوذرات توانایی حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها را دارند. از نانوذرات می‌توان به عنوان عوامل کاهنده و یا به عنوان جاذب برای آلاینده‌های مختلف در خاک یا آب استفاده کرد. تکنیک‌های مبتنی بر نانوذرات با توجه به خواص متنوع آنها همچون اندازه کوچک، نسبت سطح به حجم بالا و فعالیت کاتالیزوری مطلوب، به عنوان جایگزینی مناسب برای روش‌های مرسوم برای حذف نیترات از پساب مطرح شده‌اند. به علت کارآیی بالای این نانوذرات می‌توان به تنهایی از این سامانه‌ها بهره برد و نیازی به سیستم‌های مکمل وجود ندارد. این نانوذرات به فرم‌های پوشش داده شده و یا سطح عامل‌دار شده و تثبیت نانوذرات بر روی سطح استفاده می‌شوند. شکل 4 انواع روش‌های تثبیت برای عدم تحرک نانوذرات مورد استفاده در این سیستم‌ها را نشان می‌دهد.

3-1-1 (NZVI) / نانوذرات آهن
نانوذرات صفر ظرفیتی آهن (NZVI) به علت خواص کاتالیزوری عالی و نسبت سطح به حجم بالا، مورد توجه جامعه علمی بین‌المللی واقع شده است. این خصوصیات این نوع نانوذرات را قادر می‌سازد تا به عنوان یک عامل کاهش دهنده استفاده شوند. در برخی مطالعات از NZVI به عنوان جاذب نیز استفاده شده است. نانوذراتNZVI، بدون هیچ اعمال تغییرات سطح به طور گسترده‌ای برای حذف نیترات استفاده می‌شوند. در یک پروژه تحقیقاتی NZVI از گوتیت هیدروترمال و طبیعی به طریق فرایند کاهش طبیعی سنتز شد. با این حال سنتز NZVI، فرآیند گران قیمتی است زمانی که از گوتیت طبیعی و هیدروترمال به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود، روند سنتز ارزان‌تر می‌شود. میزان بازدهی حذف نیترات NZVI سنتز شده با گوتیت طبیعی و هیدروترمال و NZVI سنتز شده با مواد اولیه معمول و گران مقایسه شد. NZVI عادی نرخ حذف 90٪ را در pH 1 نشان می‌دهد، اما نرخ حذف به طور قابل توجهی در pH 6 به 10٪ کاهش یافت، در حالی که NZVI به دست آمده از گوتیت طبیعی و هیدروترمال نرخ حذف1/95٪ و 3/91٪ را در pH 1 نشان داد و این میزان در pH 8. به 4/72٪ و 5/83٪ کاهش یافت. افزایش غلظت اولیه نیترات نیز میزان حذف نیترات را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در فرآیند حذف نیترات در طول زمان با استفاده از NZVI سنتز شده از گوتیت طبیعی، افزایش میزان تشکیل آمونیاک مشاهده شد، در حالی که غلظت بسیار کمی از نیتریت تشکیل شد. در طی فرآیند، مقداری از نیترات نیز به گاز نیتروژن کاهش یافت. NZVI سنتز شده با استفاده از گوتیت طبیعی و هیدروترمال یک جایگزین ارزان با کارآیی بالا برای حذف نیتروژن برای آهن صفر ظرفیتی معمولی است.

در پژوهش دیگری که در زمینه حذف نیترات به وسیله NZVI انجام شد به بررسی کارآیی NZVI تازه سنتز شده، NZVI خشک شده و NZVI سونیکیت شده پرداخته شد. کاهش نیترات با استفاده از این NZVI‌ها در شرایط مختلف مانند pH، غلظت اولیه نیترات و دوز متفاوت جاذب انجام شد. تغییرات pH تاثیر معناداری بر روی کاهش نیترات نداشت. NZVIs نیترات را به آمونیوم و نیتریت تجزیه می‌کند. با این حال، مقدار نیتریت تولید شده کم بوده و با گذشت زمان کمتر نیز شد. در مورد NZVI تازه، نیترات با نرخ سریعتری به مقدار 1 میلی گرم بر میلی لیتر نیترات در یک دقیقه کاهش یافت. در تیمار استفاده از‌ NZVIتازه، تولید نیتریت به مدت 20 دقیقه به 5٪ افزایش یافت. و در مورد NZVI خشک شده و سونیکیت شده، تولید نیتریت تقریبا به 7٪ رسید. در تحقیق دیگری، NZVI‌های دوپ شده با طلا، مس و نانوذرات نقره ساخته شد و برای حذف همزمان آلودگی نیترات و کادمیوم (Cd) از آنها استفاده شد. در این بررسی، واکنش‌پذیری NZVI به ترکیب آلاینده‌های ترکیبی و تاثیر تولید و حضور فرآورده‌های جانبی بر بازده حذف نیترات مورد ارزیابی قرار گرفت.

در طی انجام آزمایش و در طول زمان مشاهده شد که کاهش نیترات باعث افزایشpH می‌گردد و اکسید آهن تشکیل می‌شود و یون آهن رهایش پیدا نمی‌کند. همچنین در طی آزمایش، بار منفی سطح NZVI افزایش پیدا می‌کند. در شرایط عدم حضور کادمیوم (II) در محیط واکنش، حدود 30% نیترات کاهیده شده بود، اما در حضور کادمیوم (II) با غلظت 40 میلی گرم در لیتر، نیترات کاملا حذف شد. از این نتایج می‌توان استنباط کرد که افزایش مناطق تجمع کادمیوم در سطح NZVI باعث افزایش بازدهی حذف نیترات می‌گردد. در حضور غلظت کمتر از 40  میلی گرم بر لیتر کادمیوم (II) و بیست درصد از غلظت نیترات اولیه، میزان معنی‌داری به آمونیاک تبدیل می‌شود.

برای بالا بردن بازده حذف نیترات، NZVI با سایر نانوذرات تلفیق می‌شود. در یک کار تحقیقاتی از کانژوگاسیون NZVI با نانوذرات مگنتیک برای حذف نیترات از آب‌های زیرزمینی استفاده شد. میزان بازده حذف نیترات با استفاده از این نوع نانوذرات کانژوگه شده بسیار بالا و مطلوب گزارش شد. افزایش نانوذرات مگنتیک و افزایش بازده حذف نیترات از آب با یکدیگر ارتباط خطی دارند. با توجه به ماهیت مغناطیسی نانوذرات مگنتیت آنها به‌صورت یکنواخت بر روی سطح NZVI پراکنده می‌شوند. این نانوذرات باعث افزایش روند تدریجی خوردگی NZVI و تسهیل انتقال الکترون برای کاهش نیترات از طریق NZVIمی‌شوند. آب معمولی سرعت کاهش نیترات بیشتری نسبت به آب مقطر را نشان می‌دهد که می‌توان جذب ترکیبات کاتیونی به سطح مشترک آب و NZVI را به عنوان علت افزایش سرعت کاهش نیترات ذکر کرد. از دیگر دلایل احتمالی می‌توان به افزایش سطح کمپلکس در سطوح مولکولی تماس با کاتیون‌های موجود در محیط واکنش اشاره کرد. همچنین کانژوگاسیون نانوذرات مگنتیک با NZVI باعث افزایش پایداری این نوع نانوسامانه می‌شود و امکان تکمیل تمام چهار چرخه نیترات را فراهم می‌سازد.

NZVI بدون اعمال تغییرات و همچنین در کانژوگاسیون با دیگر نانوذرات نتایج مطلوبی را در کاهش نیترات و حذف این آلاینده نشان می‌دهد اما مشکل کلوخه‌ای شدن، از جمله چالش‌های اصلی محسوب می‌شود و غلبه بر این چالش از مسایل مهم در کاربرد تکنیک‌های حذف نیترات بر پایه این نوع نانوذرات است. تجمع نانوذرات NZVI بر روی بازده حذف نیترات تاثیر می‌گذارد. یکی از راه‌های غلبه بر این چالش، تثبیت نانوذرات بر روی سطح پایه است. از دیگر راه حل‌ها می‌توان به نانوذرات دوپ شده با فلزات و استفاده از مواد مناسب برای پوشش‌دهی بخشی از سطح به منظور پایداری و افزایش بازدهی حذف نیترات اشاره کرد.

تثبیت NZVI بر روی سطح باعث افزایش بازدهی حذف نیترات می‌گردد. در یکی از مقالات تحقیقاتی، NZVI بر روی سطح ماکروپروس آلژینات (MAS) تثبیت شد. این نانوسامانه نوین توانایی حذف بیشتر از 96.5 درصد نیترات را در 30 دقیقه دارد. میزان بازده حذف نیترات نانوذرات NZVI بدون هیچ تغییرات سطحی تنها 44.7% است. با مقایسه میزان بازدهی این دو نوع نانوسامانه می‌توان نتیجه‌گیری کرد که تثبیت NZVI بر روی سطح، تاثیر معناداری بر روی میزان بازدهی دارد. همچنین کیفیت واکنش صورت گرفته توسط NZVI به صورت تثبیت شده و به صورت آزاد به صورت معناداری تفاوت دارند. در مورد NZVI تثبیت شده پس از 30 دقیقه با شرایط اضافه شدن آمونیوم به صورت ممتد، نیتریت در محیط واکنش باقی نماند و 5% گاز نیتروژن آزاد شد. تحت شرایط pH بالا نیتریت و آمونیوم تولید شدند در حالی که غلظت آمونیوم به مرور در محیط کم می‌شود. سطح MAS از تجمع و آگلومره شدن NZVI جلوگیری کرده و باعث افزایش فعالیت واکنش اکسایش-کاهش (ردوکس) می‌شود.

 گرافیت به عنوان یکی دیگر از سطوح مناسب برای تثبیت NZVI گزارش شده است. برای حذف نیترات از طریق کاهش مواد شیمیایی از این نانوسامانه استفاده می‌شود. در یک مقاله تحقیقاتی KBH4 به عنوان عامل کاهنده در محیط آب و اتانول برای ایجاد نانوذرات NZVI بکارگرفته شد. این پروژه آزمایشی به منظور مطالعه اثر تلفیق این ذرات در کاهش نیترات انجام شد. در شرایط pH خنثی 80 میلی گرم در لیتر نیترات در طول 30 دقیقه توسط NZVI تثبیت شده، حذف شد. نسبت سطح به حجم بالای گرافیت باعث تسهیل پراکندگی نانوذرات و مانع تراکم و آگلومریزاسیون نانوذرات NZVI می‌شود. محصولات اصلی واکنش کاهش نیترات در مورد این نانوسامانه نیتریت و آمونیوم بودند. نیتریت در مقدار کم ایجاد شده و به آرامی به طور کامل ناپدید می‌شود. فرآیند کاهش بسیار وابسته به pH است و در pH اسیدی تقویت می‌شود.

از گرافن نیز به عنوان سطح تثبیت NZVI استفاده شده است و نانوکامپوزیتNZVI/Nanographene مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه‌گیری XRD (پراش اشعه ایکس) نشان داد که NZVI تثبیت نشده دارای پایداری کمی است اما تثبیت بر روی سطح گرافن تا حد زیادی باعث افزایش پایداری NZVI می‌شود و همچنین مانع از جذب الکترون‌های محیط و اکسید شدنNZVI می‌شود. بیشتر یون‌های نیترات با استفاده از این نانوسامانه با نسبت جرمی نانوکامپوزیت 5/25NZVI/Nanographene از محیط حذف شدند. NZVI تثبیت شده بر روی سطح گرافن افزایش 125% درصدی بازده حذف نیترات را نسبت به NZVI به صورت آزاد از خود نشان داد. نتایج آزمایشات بر روی این نانوسامانه تاثیر معنادار اسیدیته بر بهبود فرآیند کاهش را نشان داد.

با استفاده از این نانوسامانه اکثر یون‌های نیترات در محیط واکنش ظرف 16 ساعت تخلیه می‌شوند. استفاده از اولتراسونیک در محیط واکنش این زمان را به سه ساعت تقلیل می‌دهد. مکانیسم کاهش نیترات بدین صورت است که در ابتدا یون نیترات به نیتریت و یا آمونیوم کاهش پیدا می‌‌کند و در ادامه واکنش به گاز نیتروژن تبدیل می‌شود. حذف نیترات دارایسه مرحله اصلی است؛ جذب، کاهش و تخلیه. در مورد این نانوسامانه نیز شرایط اسیدی برای کاهش آمونیاک به نیترات بسیار مطلوب است. تثبیت NZVI بر روی گرافن باعث افزایش قابل توجه بازده حذف نیترات می‌شود، که از جمله دلایل آن می‌توان به افزایش سطح و پایداری و جلوگیری از کلوخه شدن اشاره کرد.

استراتژی دیگری که برای افزایش کارآیی حذف نیترات وجود دارد، استفاده از نانوذرات دوفلزی (بایمتالیک) است. این نوع نانوذرات امکان حذف نیترات در حضور چند آلاینده با راندمان بالا را میسر می‌سازند. به عنوان مثال نانوذرات Fe/Ni (آهن/ نیکل) سنتز شده و بر روی سطح کائولن تثبیت شده و برای حذف نیترات در حضور یون مس بکارگرفته شد. نسبت مشخصی از کائولن، آهن،نیکل (K-Ni /Fe) بر روی سطح کائولن تثبیت شد.

با افزایش میزان یون‌های مس با غلظت (100 تا200 میلی گرم در لیتر) راندمان حذف نیترات از 26.9٪ به 40.4٪ بهبود یافت. از مکانیزم‌های احتمالی افزایش راندمان می‌توان به جذب یون‌ها بر روی کائولن یا اکسید آهن و افزایش دنیتروفیکاسیون با توجه به شکل‌گیری کاتالیست جدید تریمتالیک (Fe/Ni/Cu) اشاره کرد. نانوذرات دوفلزی NZVI نیز توانایی حذف سریع‌تر نیترات را نسبت به نانوذرات تک فلزی NZVI دارا هستند.

در مطالعه دیگری نانوذرات آهن- پالادیوم (Fe/‌Pd) برای حذف نیترات مورد بررسی قرار گرفت. NZVI توانایی کاهش نیترات را به نیتریت و آمونیاک دارد و پالادیوم نقش تشدید کنندۀ کاهش نیتریت به گاز غیر سمی نیتروژن را دارد. برای افزایش کارآیی نانوسامانه‌های دوفلزی این نوع نانوذرات را بر روی رزین کلاته کننده Fe/Pd تثبیت می‌کنند. این نوع نانوسامانه‌ها به دو صورت ساخته می‌شوند. در حالت اول NZVI بر روی رزین تثبیت می‌شود و سپس پالادیوم بر روی آن پراکنده می‌شود. در حالت دوم ابتدا پالادیوم بر روی سطح رزین تثبیت شده و سپس NZVI بر روی آن تثبیت می‌شود. نانوذرات دوفلزی نیترات را به نیتریت و آمونیاک تبدیل می‌کنند و در مرحله بعدی نیتریت به گاز نیتروژن یا آمونیوم تبدیل می‌شود. با این حال، تبدیل نیتریت به گاز نیتروژن به جذب گاز هیدروژن بر روی سطح پالادیوم نیاز دارد، بنابراین، مقدار پالادیوم بارگذاری شده به طور مستقیم با میزان گاز نیتروژن تولید شده ارتباط دارد. همچنین مشاهده شد که افزایش pH محلول باعث افزایش تولید گاز نیتروژن می‌شود. pH بهینه 8.63 بود که در این pH بالاترین میزان انتخاب‌پذیری برایN2 مشاهده شد. همچنین رویت شد که پالادیوم و pH هر دو تاثیر هم‌افزایی بر روی یکدیگر دارند. مشاهدات نشان دادند، حالتی که وزن کاتالیست شامل 8٪ NZVI و 8٪ پالادیوم بود در pH 8.67 میزان انتخاب‌پذیری N2 به 71٪ رسید.

محصول نهایی و مطلوب در فرآیند حذف نیترات، گاز غیر سمی نیتروژن است. در مقاله دیگری که در این زمینه منتشر شد ترکیبی از سه فلز مس، پالادیوم و NZVI به عنوان نانوسامانه حذف نیترات مورد بررسی قرار گرفت.

ترکیبات (Cu-NZVI، Pd-NZVI، CuPalladium NZVI و Pd-Cu-NZVI از طریق کاهش شیمیایی سنتز شده و میزان کارآیی آن برای حذف نیترات مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت. اندازه نانوذرات سنتز شده در محدوده 20 تا 150 نانومتر قرار داشت. کاتالیزور سه فلزی Pd-Cu-NZVI در حالتی که نسبت Pd:‌Cu 2:‌1 بود، بیشترین میزان کاهش نیترات را به مقدار 63٪ نشان داد و حالت پایه NZVI بازده حذف نیترات معادل 56% را نشان داد. ترکیب Pd:‌Cu 2:‌1 بیشترین میزان انتخاب‌پذیری را به تشکیل N2:‌NH4 نشان داد. NZVI به عنوان اهداکننده الکترون به فلزات Cu و Pd ایفای نقش می‌کند و با مولکول‌های موجود در محیط واکنش برای سنتز گاز هیدروژن برهمکنش نشان می‌دهد. سطح مس تمایل بالایی برای اتصال به نیترات دارد، در محیط واکنش، نیترات به سطح مس جذب می‌شود و با هیدروژن برهمکنش داده و به نیتریت کاهش پیدا می‌کند. در ادامه واکنش بوسیله جذب هیدروژن بر روی سطح پالادیوم نیتریت به آمونیوم و گاز هیدروژن کاهش پیدا می‌کند.

با تثبیت ترکیب نانوذرات دو و سه فلزی با NZVI بر روی سطح می‌توان بازده حذف نیترات این نوع نانوسامانه را افزایش داد. در مطالعه تحقیقاتی که بر روی میزان راندمان حذف نیترات توسط این نوع نانوسامانه انجام شد ترکیبات NZVI، Cu،Mn، Cu‌/‌Fe و Mn‌/‌Fe آماده شده و بر روی سطح زئولیت NaY تثبیت شد. نحوه ساخت زئولیت بر روی کارآیی نانوسامانه تاثیر بسزایی دارد. زئولیت طبیعی یا سنتز شده بر ترکیب و فعالیت کاتالیزوری فلزات تثبیت شده موثر است.

 این ساختارها توانایی انتخاب‌پذیری تبادل یون با آمونیاک را دارند و در عین حال مانع از رهایش آمونیوم به محلول می‌شوند. کامپوزیت‌‌های زئولیتی با نانوذرات تثبیت شده بر روی سطح آنها میزان راندمان صد در صدی حذف نیترات از محیط مایع را بعد از شش ساعت نشان دادند. دلیل احتمالی این راندمان فوق‌العاده، بارگذاری نانوذرات و تثبیت به دو صورت اتصال به سطح پایه و اتصال به لایه داخلی در حین آماده‌سازی کامپوزیت است. نرخ حذف نیترات با افزایش غلظت کامپوزیت نانوذرات فلزی تثبیت شده بر روی زئولیت افزایش پیدا می‌کند. بازده صد درصدی به وسیله این نانوسامانه با غلظت 4 گرم بر لیتر کامپوزیت مشاهده شد. این نانوساختار کامپوزیتی راندمان بالاتری نسبت به فلزات به تنهایی نشان داد. حذف نیترات توسط این نانوسامانه به شرایط اسیدی یا قلیایی بستگی ندارد و این نوع نانوساختار راندمان حذف نیترات ثابتی در هر دو شرایط اسیدی و بازی داشت.

پوشش‌دهی NZVI با یک ماده شیمیایی پوشش دهنده یا با لایه‌ای از جنس اکسیدکربن، استراتژی دیگری است که برای بهبود راندمان حذف نیترات توسط NZVI بررسی شده است. نانوذرات آهن، نیکل و کبالت  با اکسید گرافن پوشش داده شد. این نوع پوشش از آگلومره شدن جلوگیری می‌کند و باعث افزایش پایداری نانوسامانه شده و همچنین باعث بهبود راندمان حذف نیترات توسط این سامانه می‌شود نانوذرات آهن نیکل و کبالت بر روی اکسید گرافن تثبیت شده و باعث افزایش راندمان حذف نیترات از آب می‌گردد.

 خواصی از جمله پایداری بالا، نسبت سطح به حجم بالا، پتانسیل اکسیداسیون بالا و خواص مگنتیک مطلوب، گرافن را به گزینه مناسبی برای کاربرد در رمدیشن آب تبدیل می‌کند. هر دو طرف ورقه‌های گرافنی قابلیت عامل‌دار شدن را دارند. می‌توان گروه‌های عاملی مختلفی را بر روی سطح آن قرار داد و از این نوع نانوذرات در کاربردهای متنوع استفاده کرد. بار سطحی منفی گرافن، امکان پراکندگی و پایداری در محیط مآیی را فراهم می‌کند. پراکندگی مناسب، پارامتری کلیدی برای فرآیند کاهش نیترات محسوب می‌شود. نرخ حذف نیترات بعد از هشت ساعت برای نانوذرات تثبیت شده بر روی گرافن به ترتیب برای آهن 90% برای نیکل 83% و برای کبالت  81% بود.

در مقاله تحقیقاتی دیگری که توسط وانگ و همکاران منتشر شده است، سنتز نانوذرات Fe با استفاده از اکالیپتوس و عصاره چایی سبز انجام شد و سپس توسط پلی فنول پوشش دهی شده و برای حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفت. نانوذرات آهن سنتز شده با عصاره اکالیپتوس، بازده حذف نیترات معادل 59.7% نشان داد و نانوذرات آهن سنتز شده با استفاده از عصاره چایی سبز بازده حذف نیترات معادل 41.4% را نشان دادند.

NZVI، علیرغم بالاترین میزان راندمان حذف نیترات، طی زمان بتدریج واکنش پذیری خود را از دست می‌دهد. اما نانوذرات آهن سنتز شده با عصاره‌های گیاهی میزان واکنش‌پذیری خود را حتی بعد از دو ماه حفظ می‌کند. مطالعات کینتیکی حذف نیترات برای نانوذرات آهن سنتز شده با عصاره‌های گیاهی با استفاده از مدل جذب pseudo-second بررسی شدند و بهترین میزان برای ثابت qe (ظرفیت جذب در تعادل) به مقدار 13.06 mg/g و9.698 mg/g برای نانوذرات آهن سنتز شده با چای سبز و اکالیپتوس محاسبه شدند.

 در تحقیق دیگری که روی تاثیر مدت زمان و تازگی ماده سنتز شده بر روی بازدهی حذف نیترات انجام شد از نانوسامانهNZVI که با کروم پوشش‌دهی‌شده بود استفاده شد. در این مقاله تحقیقاتی نانوسامانهNZVI در سه حالت تازه سنتز شده، خشک شده و سونیکیت شده با کروم پوشش داده شد و تاثیر این نوع پوشش بر روی میزان بازدهی حذف نیترات توسط این نانوسامانه مورد بررسی قرار گرفت. به عنوان شاهد از NZVI به سه حالت تازه سنتز شده، خشک شده و سونیکیت شده استفاده شد. NZVI تازه سنتز شده که با کروم پوشش داده شده بود بسیار فعال بوده و در عرض یک دقیقه حدود 10 تا 10000ppm  را کاهش داد. NZVI خشک شده، NZVI خشک شده و پوشش داده شده با کروم میزان فعالیت کاهندگی کمتری نسبت به NZVI سونیکیت شده نشان داد. می‌توان استنباط کرد که دلیل این نوع رفتار و تفاوت در عملکرد مربوط به پارامتر آگلومریزاسیون است.

3-1-2 نانوذرات فلزی و آلیاژ فلزی
نانوذرات فلزی و آلیاژ فلزی دارای نسبت سطح به حجم بالا و خواص هدایت مطلوب هستند. بسیاری از کاتالیزورها از جنس نانوذرات فلزی هستند. در فرآیند کاهش نیترات نیاز به پروموتر وجود دارد. پروموتر و کاتالیزور، نیترات را توسط پروسه ردوکس به نیتریت کاهش می‌دهند و در ادامه واکنش نیتریت به گاز نیتروژن کاهش پیدا می‌کند.

خصوصیات و میزان فعالیت کاتالیزوری این نوع نانوذرات کاملا به اندازه و مورفولوژی نانوذرات بستگی دارد. به عنوان مثال، نانوذرات پلاتین (Pt) خاصیت کاهندگی مطلوبی دارند این خواص بستگی به شکل و اندازه نانوذرات پلاتین دارند. در طی مطالعات انجام شده نانوذرات پلاتین با مورفولوژی(100) Ptو (110) Pt از طریق روش الکترودیپوزیشن سنتز شد و تاثیرمورفولوژی بر روی حذف نیترات مورد مطالعه قرار گرفت. ولتامتری چرخشی در محلول با غلظت نیترات Mm 50 انجام شد و نرخ اسکن mV‌/‌s. 50 در نظر گرفته شد کاهش نیتروژن به طریق تشکیل کمپلکس واسطه و سپس تشکیل آمونیاک صورت گرفت. در اسکن با نرخ بالاتر نانوذرات (100) Pt در مقایسه با (110) Pt راندمان بالاتری در حذف نیترات نشان دادند. نانوذرات پلاتین به فرم (110) Pt واکنش‌پذیری مطلوبی را ازخود نشان ندادند. نانوذرات اکسید آلومینیوم (Al2O3) مانند نانوآلومینا به شکل نانو پودر می‌توانند برای حذف نیترات از آب مورد استفاده قرار بگیرند. طی مطالعات و آزمایشات انجام شده نانوآلومینا با غلظت 10 تا 20 میلی گرم در لیتر، جذب بهتر نیترات را نشان داد. حداکثر حذف نیترات در pH آب 4/4 رخ می‌دهد. ظرفیت جذب نیترات توسط نانوآلومینا در دمای 25 درجه سانتیگراد 4 میلی گرم بود. همچنین، حضور آنیون هایی مانند- SO2،Cl و CO3-2 بر روی فرآیند حذف نیترات تاثیر منفی می‌گذارد. هنگامی که این آنیون‌ها حضور داشتند، کارایی حذف نیترات به دلیل برهمکنش نامتناسب این آنیون‌ها به 40-45٪ رسید. آلیاژهای فلزی مانند پالادیوم / نقره (PdAg) بر روی آمین (NH2) بر سطح SiO2 فعال شده تثبیت شد. سامانه PdAg /SiO2-NH2 با استفاده از اسید فرمیک به عنوان عامل کاهش دهنده سنتز شد. عامل آمین در SiO2، که به کمک تجزیه اسید فرمیک شکل گرفت باعث بهبود راندمان کاهش نیترات می‌شود. در نهایت این سامانه خواص کاتالیستی مطلوبی را از خود نشان داد.

حذف نیترات می‌تواند از طریق کاهش فوتوکاتالیستی نیز رخ دهد و نیمه هادی‌ها می‌توانند به عنوان کاتالیزوری مناسب برای کاهش فتوکاتالیستی نیترات عمل کنند. اکسید فلزی TiO2 که ارزان و غیر سمی بوده و پایداری نوری دارد، می‌تواند به عنوان یک فوتوکاتالیست عمل کند.  TiO2، NZVI و کامپوزیت حاوی TiO2 و NZVI برای حذف نیترات به صورت موثر نیاز به نور UV دارند. اجزای این نوع نانوکامپوزیت بخصوص NZVI نیز توانایی حذف نیترات را به صورت موثر دارند اما کامپوزیت نتایج و عملکرد بهتری را نشان داده است. حداکثر میزان حذف نیترات در نسبت یک به 10 برای  TiO2 به NZVI اتفاق افتاد.  در مطالعه دیگری از الکترودهای تیتانیوم اصلاح شده با کربن به عنوان فوتوکاتالیست برای حذف نیترات از آب دریا استفاده شد. نانوذرات C/TiO2 با روش سل ژل با استفاده از ایزوپروپکساید تیتانیوم سنتز شدند.TiO2P25  با استفاده از تیتانیوم تری کلراید با روش مشابه برای اطمینان از عدم وجود کربن در این نانوذرات، سنتز شدند. در این مطالعه، ترکیب الکترون _ حفره با استفاده از اسید فرمیک به عنوان یک اهدا کننده الکترون ایجاد شد. TiO2P25 و TiO2 بدون اصلاح سطح نیز مقایسه شدند. در TiO2 P25 کاهش قابل توجهی در شکاف باند اپتیکی مشاهده شد که منجر به حذف نیترات توسط فوتوکاتالیست تحت نور UV شد. در غیاب نانوذرات C/TiO2، کاهش نیترات رخ نداد، اما با افزایش غلظت کاتالیزور، بازدهی فرآیند کاهندگی نیز افزایش یافت. pH محلول نیز نقش مهمی در فرآیند کاهندگی نیترات بازی کرد. در pH پایین، افزایش شدید در فرآیند کاهندگی نیترات مشاهده شد، در حالی که در pH بالا، کاهش نیترات به دلیل عدم جذب ناشی از دافعه الکترواستاتیک، نسبتا کمتر بود. غلظت اسید فرمیک نقش مهمی را در فرآیند کاهش نیترات بازی می‌کند و با افزایش غلظت نیترات، میزان فرآیند کاهندگی نیترات نیز افزایش معناداری پیدا می‌کند. با این حال، این افزایش در فرآیند کاهندگی تنها دارای نقطه اشباع و حد یکنواخت است. در مجموع، حداکثر میزان حذف نیترات زمانی مشاهده شد که مقدار کاتالیزور 5/0 گرم در لیتر بود و pH محلول معادل 3 و غلظت اسید فرمیک معادل 04/0 میلی‌گرم بود.

نانوذرات، به ویژه هنگامی که به عنوان یک عامل کاهش دهنده برای حذف نیترات استفاده می‌شوند، آمونیاک را به عنوان یک محصول اصلی تولید می‌کنند. آمونیاک سمی است و تولید آن مطلوب نیست. بنابراین، لازم است که نانوذرات را به گونه‌ای بهینه‌سازی کرده که نیتریت، آمونیم و گاز نیتروژن غیر سمی ایجاد شود. می‌توان نانوذرات را به گونه‌ای طراحی کرد که به صورت همزمان آلاینده‌های همراه با نیترات را نیز حذف کند. حضور یا عدم حضور این آلاینده‌های مشترک نیز بر میزان بازدهی حذف نیترات تأثیر بسزایی می‌گذارد.

 

3-2 نانولوله‌ها
 نانولوله‌های کربنی (CNT) به واسطه خواص متغیر شیمیایی، فیزیکی، الکتریکی و ساختاری،  به طور گسترده‌ای در تصفیه آب مورد استفاده قرار گرفته‌اند. آنها می‌توانند به عنوان جاذب، کاتالیزور و کمک کاتالیزور برای حذف آلاینده‌ها استفاده شوند. نانو لوله‌های کربنی به علت نرخ جذب بالا و کارایی بهینه، به عنوان جاذب برای حذف رنگ‌ها، فلزات سنگین و سایر انواع آلاینده‌های آلی و غیر ارگانیک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، سطح نانولوله‌های کربنی بسیار آبدوست است و نیاز به اصلاح سطح دارد. اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی باعث افزایش کارآیی حذف نیترات می‌شود. در یکی از مطالعات انجام شده، نانولوله‌های کربنی با استفاده از روش CVD سنتز شد و به وسیله آمونیاک و اسید نیتریک برای حذف نیترات در دمای اتاق عامل‌دار شد. راندمان حذف نیترات توسط نانولوله‌های کربنی اصلاح سطح شده با گروه‌های نیتروژن و نانولوله‌های کربنی به فرم اکسید شده مقایسه شد. افزایش میزان کارآیی حذف نیترات با ورقه‌های CNT مشاهده شد. مدل ایزوترم لانگمویر ظرفیت جذب برای CNT اصلاح شده با نیترات را mg / g 142.8750 و 90.9090 mg/g برای CNT اکسید شده نشان داد. CNT اصلاح شده کارکردی 90 درصدی را برای حذف نیترات در محلولی با غلظت 300mg/20 ml نشان داد. نانولوله‌های اصلاح سطح شده در مقایسه با کربن فعال راندمان حذف نیترات بالاتر، زمان رسیدن به تعادل کمتر و بازیابی بهتری را از خود نشان دادند.

روش‌های جذب مغناطیسی برای حذف نیترات از فاضلاب‌های صنعتی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین نانولوله‌های کربنی چند دیواره مغناطیسی به راحتی می‌توانند به عنوان جایگزینی با کارآیی بالا برای سامانه‌های کنونی مطرح شوند. ماهیت مغناطیسی این نانولوله‌ها آنها را قادر می‌سازد تا به راحتی از نظر مغناطیسی جدا شوند، بنابراین از آلودگی بیشتر جلوگیری می‌شود. CNT‌های مغناطیسی از طریق رسوب شیمیایی Fe3O4 روی سطح CNT سنتز می‌شوند. مقاومت مکانیکی بالا، نسبت سطح به حجم بالا ، تنوع در ساختار و خواص الکتریکی عالی، نانولوله‌های کربنی را نانوماده‌ای مناسب برای حذف نیترات می‌سازد.   

 

3-3 نانوفیبرها
نانوفیبرها قطری کمتر از 100 نانومتر دارند و در زمینه‌های مختلف محیط زیستی بکار گرفته می‌شوند. آنها با توجه به طول فوق العاده‌ای که دارند می‌توانند به راحتی بر روی هرگونه سطح تثبیت شوند. همچنین خصوصیاتی همچون نسبت سطح به حجم بالا، تنوع در اصلاحات سطح و تخلخل، علت بکارگیری آنها در فیلتراسیون آلاینده‌های موجود در آب و هوا است.

کیتوزان برای حذف نیترات به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در یک مطالعه، نانو فیبرهای کیتوزان برای تهیه بستر به روش الکتروریسی استفاده شد و این بسترها به عنوان پایه تثبیت کننده برای بی‌حرکت شدن سلول‌های جلبک مورد استفاده قرار گرفت. سلول‌های جلبکی به طور گسترده‌ای در تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود، زیرا آنها نه تنها آب را تصفیه می‌کنند، بلکه باعث تولید زیست توده‌ی جلبک می‌شوند که می‌تواند برای تولید سوخت‌های زیستی و سایر کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. تثبیت جلبک‌ها بر روی سطح باعث می‌شود که سلول‌ها در حجم و فضای کمتری رشد کرده و امکان مدیریت بهتر و استفاده مکرر فراهم گردد. مطالعاتی که بر روی راندمان حذف نیترات با استفاده از جلبک‌های تثبیت شده بر روی بستر کیتوزانی انجام شد حذف 87 درصد نیترات از پساب (غلظت اولیه نیترات 30 میلی‌گرم در لیتر) را نشان داد. حذف اولیه نیترات از پساب به وسیله بستری نانوفیبری بدون جلبک انجام گرفت. در مراحل بعد، غلظت نیترات باقی مانده توسط سلول‌های جلبکی که به طور مداوم در حال رشد هستند کاهش می‌یابد. به طور کلی، بسترهای نانوفیبری که سلول‌های جلبک بر روی آنها تثبیت شده بود راندمان حذف نیترات معادل (87٪) را در مقایسه با راندمان حذف نیترات در بسترهای بدون سلول معادل (32٪) را نشان داد.

 

4-3 نانوپوسته‌ها
نانوپوسته‌ها معمولا از یک هسته دی الکتریک ساخته شده و توسط یک فیلم فلزی نازک پوشیده شده‌اند. در مطالعه‌ای که توسط انسی و همکاران انجام شد از نانوسامانه هسته پوسته SiO2-FeOOH-Fe برای حذف نیترات بهره گرفته شد. هسته SiO2-FeOOH برای تثبیت NZVI در طی فرآیند حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفت. زمانی که غلظت NZVI تثبیت شده دو برابر شد بازده حذف نیترات از 69 درصد به 86 درصد افزایش یافت. راندمان حذف نیترات در pH کمتر، بهتر بود. زمان تماس در این آزمایش 2 ساعت بود و سونیکیشن به مدت 3 دقیقه تاثیر مثبتی بر روی راندمان حذف نیترات داشت. بیشترین درصد حذف نیترات (84/99 درصد) در غلظت 64 میلی گرم در لیتر در pH 3 دیده شد.

 

 5-3 نانوخوشه‌ها
نانوخوشه‌ها اتم‌هایی از یک نوع هستند که در تعداد زیاد کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. نانوساختار خوشه آهن با نسبت سطح به حجم بالا گزینه مناسبی برای حذف نیترات است. در تحقیق اخیری که برای حذف نیترات انجام شده است، این نانوخوشه‌ها با NZVI تلفیق شد. حین سنتز این نوع نانوکلاستر از اتانول و آب به عنوان حلال استفاده شد. نانوکلاسترهای سنتز شده به فرم کروی و مساحت سطح 54.25 m2g/L و قطر آن 80 نانومتر بودند. مقدار غلظت نانوخوشه‌های آهن نقش مهمی‌در کاهش نیترات ایفا می‌کند. پس از افزایش مقدار نانوخوشه‌ها، سرعت واکنش و همچنین راندمان حذف نیترات افزایش می‌یابد. با این حال، در یک سیستم باز، کاهش نیترات به دلیل مصرف الکترون‌های آزاد شده از نانوخوشه آهن توسط اکسیژن حل شده روند نزولی به خود گرفت. حذف کارآمد نیترات با استفاده از نانوخوشه‌ها در pH بالاتر از 9-10 در نظر گرفته شد. تولید OH- در pH بالاتر موجب رسوب آهن و کمک به حذف آلودگی ثانویه از آب شد. علاوه بر این، واکنش OH- با یون‌های دیگر موجود در آب باعث کاهش میزان آلاینده‌های دیگر از آب در طول فرآیند تصفیه شد.

 

3_6. نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌هایی مانند پلیمرها، نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن و پلیمرهای مغناطیسی به طور گسترده‌ای برای تصفیه و حذف آلاینده‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نانو‌کامپوزیت‌ها شامل ترکیبی از نانومواد هستند که قابلیت جذب نیترات را افزایش می‌دهند. در یک مطالعه تحقیقاتی، کامپوزیت سیلیکون کربن به دو فرم نانو و بالک از بامبو تهیه شد و مورد آزمایش قرار گرفت. برگ بامبو حاوی سیلیکا بود، بنابراین به عنوان منبع انتخاب شد. راندمان جذب نیترات در نانوکامپوزیت‌ها (44.98٪) اندازه‌گیری شد و راندمان حذف نیترات در کامپوزیت‌های به فرم بالک (98/21٪) مشاهده شد. روش آماده سازی نسبتا ساده بود و این تکنیک نیز جز فرآیندهای سازگار با محیط زیست طبقه‌بندی می‌شود.

مطالعاتی بر روی از نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر کیتوزان برای حذف نیترات انجام شدند. کامپوزیت‌های کیتوزان با پلی وینیل الکل (PVA) و پلی اتیلن گلیکول (PEG) تهیه شده و برای حذف نیترات از آب مورد استفاده قرار گرفت. 0.1 گرم از کامپوزیت‌ها به محلول حاوی نیترات اولیه 10 میلی گرم بر لیتر اضافه شد. pH و زمان تماس 3 دقیقه و 40 دقیقه بود. مقدار نیترات جذب شده برای PEG / کیتوزان 67/50 میلی گرم در گرم بود در حالیکه برای PVA / کیتوزان 35 میلی گرم بر گرم بود. یکی دیگر از نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر کیتوزان، نانوکامپوزیت‌هایی از کیتوزان / زئولیت / نانو ذره زیرکونیوم اکسید (CTS / ZY / Nano ZrO2) بود که برای حذف نیترات از محلول با تغییر نسبت مولی کیتوزان (CTS) به زئولیت / نانو زیرکونیم ساخته شد. جذب نیترات به شدت وابسته به نسبت مولی این سه جز نانوکامپوزیتی CTS:‌Zeolite / nano zirconium، pH و دما و اسیدیته بود. این ترکیب 23.58 m / g نیترات را جذب کرد. بیشترین حذف نیترات زمانی اتفاق ‌افتاد که نسبت مولی CTS: زئولیت / نانو زیرکونیم 5: 1، pH 3، دما 35 درجه سانتیگراد و زمان تماس 60 دقیقه بود. نانوکامپوزیت کییتوزان-پلی استایرن-Zn از طریق روش بارگیری برای حذف نیترات با استفاده از محلول‌های آبی ساخته شده است. این نانوکامپوزیت 90 درصد از یون‌های نیترات را از محلول 25 میلی لیتر حتی در مقادیر کم حذف کرد. غلظت اولیه نیترات و pH به ترتیب به ترتیب3 و 10 mg/L بود. این آزمایشات میزان حذف نیترات معادل 5/82 درصد را نشان دادند. نانوکامپوزیت دیگری مانند آهن زیرکوونیوم کیتوزان (Fe3O4 / ZrO2 / CS)، توانایی جذب موثر نیترات از آب را دارا است. احتمالا جذب همزمان و انتشار نیترات در میان یون‌ها علت بهبود راندمان حذف نیترات معادل 89.3 mg/gr است.

 

4. چشم انداز آینده

اکثر مطالعات انجام شده در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است، بنابراین باید روش‌های جدیدی برای تسهیل اجرای گسترده این فناوری و اطمینان از کارائی حذف نیترات در مقیاس پایلوت فراهم شود. در آینده می‌توان نانومواد را با تکنیک‌هایی برای حذف نیترات بهینه‌سازی کرد. مسیرهای سنتز سبز نیز از جمله روش‌های مطلوب برای تهیه نانومواد است.

برای حذف نیترات از محیط آبی، می‌توان از نانومواد طبیعی مانند نانورس استفاده کرد. آنها برای کاربردهای محیط زیست بسیار مناسب هستند، زیرا ارزان و دارای ظرفیت جذب بالا همراه با پتانسیل اصلاح سطح بالا هستند. چنین خواصی آنها را قادر می‌سازد که جاذب‌های عالی برای نیترات باشند. آنها همچنین می‌توانند به عنوان بستر تثبیت کننده برای کاتالیزورهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند و در نتیجه می‌توانند میزان حذف نیترات را از طریق فرآیندهای کاهش بهبود بخشند.

 

5. نتیجه گیری

آلودگی نیتروژن چالشی فراگیر و بین المللی در سطح جهانی است و پیامدهای متعددی بر سلامت انسان و محیط زیست دارد. حذف نیترات از طریق فرآیندهای معمول تصفیه آب مانند فیلتراسیون میسر نیست. تکنیک‌های معمول برای حذف آن شامل جذب، اسمز معکوس، فرآیند تبادل یونی و سایر روش‌های بیولوژیکی و شیمیایی است. با این حال، این تکنیک‌ها محدودیت‌های متعددی دارند.

فناوری نانو روشی کارآمد و جایگزینی مناسب برای حذف نیترات توسط تکنیک‌های معمول است. تا کنون برای حذف نیترات از نانوموادی مانند نانوذرات، نانولوله‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، نانولوله‌ها، نانوخوشه‌ها و نانو کامپوزیت‌ها استفاده شده است. از مزایای عمده این مواد می‌توان به نسبت سطح به حجم بالا، مسیرهای سنتز آسان، فعالیت کاتالیزوری بالا و هدایت الکتریکی خوب اشاره کرد. نانومواد یا به عنوان جاذب و یا به عنوان عوامل کاهش دهنده به دلیل نسبت سطح به حجم بالای آن و فعالیت کاتالیزوری متناسب آن استفاده می‌شود. نانوذرات بکار گرفته شده، به صورت اصلاح سطح نشده و یا تثبیت نشده و یا تثبیت شده بر روی سطح مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها همچنین با یک عامل تثبیت کننده پوشش‌دهی می‌شوند و یا بر روی یک لایه اکسید کربن برای افزایش توانایی آنها برای حذف نیترات تثبیت شدند. پارامترهایی همچون pH متفاوت، غلظت نانومواد، دما، زمان تماس و غلظت نیترات اولیه، میزان حذف نیترات بر روی کارآیی این نانوذرات تاثیر می‌گذارد. مقدار نیترات حذف شده از طریق اسپکتروفتومتری UV، کروماتوگرافی یونی و روش‌های رنگ سنجی تعیین شد. میزان حذف نیترات با استفاده از نانو سامانه‌ها حتی به 100 درصد نیز رسید. با این حال، این نانوسامانه‌ها دارای محدودیت‌های متعددی از جمله تجمع ذرات و سمیت هستند. نانومواد ممکن است در شرایط محیطی مختلف نیز ناپایدار باشند. بازیابی، جداسازی و بازیافت نانو‌مواد که در منبع آب برای حذف نیترات پراکنده شده‌اند نیز ممکن است دشوار باشد.

استفاده از تکنیک‌های جدید از جمله استفاده از نانو‌لوله‌های‌ هالوویست و کامپوزیت‌های آن برای حذف نیترات می‌تواند منجر به بهبود کارایی حذف نیترات شود. تثبیت نانوذرات بر روی غشا ممکن است بر محدودیت جداسازی و بازیافت نانوسامانه از آب غلبه کند. با توسعه تکنیک‌های بیشتر که بر محدودیت‌های نانومواد غلبه می‌کنند، فناوری نانو به گزینه‌ای مناسب و مطلوب برای حذف آلاینده نیترات از آب تبدیل می‌گردد.

 

مرجع:

Tyagi, S., Rawtani, D., Khatri, N., & Tharmavaram, M. (2018). Strategies for Nitrate removal from aqueous environment using Nanotechnology: A Review. Journal of Water Process Engineering, 21(December 2017), 84–95.

https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2017.12.005